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Luftfahrzeug, insbesondere senkrecht startendes und landendes Luftfahrzeug
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanlage für ein Luftfahrzeug, insbesondere
für ein senkrecht startendes und landendes Luftfahrzeug, die in der Lage ist, das
Luftfahrzeug in üblicher Weise mit Überschallgeschwindigkeit fortzubewegen, und
ferner in der Lage ist, einen senkrechten Schub zu liefern, um ein senkrechtes Starten
zu ermöglichen.
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Im Laufe der Jahre sind viele Konstruktionen für Luftfahrzeuge, die
senkrecht starten und landen können, gemacht worden, aber nur wenige waren erfolgreich.
In der jüngsten Vergangenheit, nach der Einführung von Strahltriebwerken, wurden
auch Luftfahrzeuge dieser Art untersucht und hergestellt, die mit Strahltriebwerken
arbeiten. Bei einer Auftriebserzeugung durch starre Tragflügel benötigt ein Düsenflugzeug
ziemlich lange Rollfelder für Start und Landung. Es sind auch bereits Vorschläge
gemacht worden, die Strahltriebwerke schwenkbar in den Flügeln anzuordnen, so daß
sie zum Start senkrecht nach unten gerichtet und für den Schnellflug in eine waagerechte
Stellung gebracht werden können. Diese Flugzeugart hat sich jedoch nicht gut bewährt,
da der Treibstoffverbrauch beim Schwebeflug sehr hoch ist. Ein Luftfahrzeug muß
wirtschaftlich innerhalb der Grenzen sein, die dem Verwendungszweck des Flugzeuges
entsprechen.
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Eine bekannte Lösung verwendet ein Strahltriebwerk, das mittels eines
Untersetzungsgetriebes einen Hilfsverdichter antreibt, der Luft an Turbogebläse
liefert, die innerhalb der Flügel angeordnet sind. Hierbei sind mehrere Energieumsetzungen
erforderlich, wobei bei jeder Energieumsetzung ein gewisser Verlust unvermeidlich
ist. Es ist weiterhin bekannt, die in den Flügeln angeordneten Turbogebläse durch
gesonderte Verdichter oder ausschließlich hierfür vorgesehene Brennkammern mit Treibgas
zu versorgen. Schließlich ist es bekannt, in den Flügeloberflächen oberhalb und
unterhalb der Turbogebläse Mittel zur Umlenkung des durch die Turbogebläse gelieferten
Schubes vorzusehen, beispielsweise jalousieartige Klappen.
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Die Erfindung baut hierauf auf. Es soll ein Luftfahrzeug geschaffen
werden, bei dem der relativ kleine, energiereiche Massenfluß des primären Triebwerkes
direkt in einen großen, energiearmen Massenfluß in den Turbogebläsen umgewandelt
wird, so daß der erforderliche Treibstoffverbrauch beim Schwebeflug in niedrigen
Grenzen bleibt. Gemäß der Erfindung werden die Turbogebläse von den Brenngasen des
Gasgenerators unmittelbar angetrieben, wobei Mittel vorgesehen sind, die Brenngase
wahlweise den Turbogebläsen oder der Schubdüse zuzuleiten. Die Turbogebläse können
dabei Axial- oder Radialturbinen enthalten. Das Flugzeug wird also beim Schnellflug
durch ein übliches Gasturbinentriebwerk oder ein anderes Strahltriebwerk angetrieben,
die mit oder ohne Nachverbrennung arbeiten können und in der üblichen Weise gesteuert
werden. Beim Schwebeflug, insbesondere beim senkrechten Starten oder Landen, werden
die hochgespannten Brenngase umgelenkt, so daß sie; anstatt in das Schubrohr einzutreten,
den Turbogebläsen zugeführt werden, die innerhalb der Flügel angeordnet sind. Das
unter hohem Druck stehende Gas dient also ohne Zwischenumsetzungen direkt zum Antrieb
der in den Flügeln angeordneten, vorzugsweise einstufigen Düsengebläsen, die einen
hohen Massendurchsatz haben und einen vertikalen oder im wesentlichen vertikalen
Schub liefern.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispieles
in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Dabei bedeutet Fig. 1 einen teilweise
im Schnitt gehaltene Aufsicht auf ein Flugzeug, das mit der Antriebseinrichtung
gemäß der Erfindung ausgerüstet ist, Fig.2 zeigt einen Teilschnitt durch ein Axialgebläse
einer Flügeleinheit, und
Fig. 3 zeigt eine Fig: 2 entsprechende
Ansicht mit einem Radialgebläse für eine Flügeleinheit.
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In Fig. 1 ist eine Aufsicht auf ein senkrecht startendes und landendes
Flugzeug gemäß der Erfindung dargestellt, das einen üblichen Rumpf 10 besitzt, ferner
zwei Flügel 11, die irgendeine geeignete Form, beispielsweise Pfeilform, besitzen
können, die für hohe Überschallgeschwindigkeiten in Vorwärtsrichtung geeignet sind.
Für den Flug in Vorwärtsrichtung enthält der Rumpf einen im ganzen mit 12 bezeichneten
Gasgenerator, der vorzugsweise die Form eines Turbinenstrahltriebwerkes, insbesondere
mit axialer Strömung haben kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein spezielles
Strahltriebwerk beschränkt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das Triebwerk
aus einem Verdichterteil 13, einer Brennkammer 14 und einem Turbinenteil
15. Zum Antrieb des Flugzeugs im Horizontalflug dient ein Schubrohr 16 am
rückwärtigen Ende des Rumpfes. Die Schubdüse 16 kann von irgendeiner geeigneten,
bekannten Ausführungsform sein, normalerweise ist der Düsenquerschnitt verstellbar.
Zur Schuberhöhung und zum Betrieb mit Nachverbrennung sind Mittel 17 zur Einspritzung
von zusätzlichem Brennstoff im Schubrohr 18 vorgesehen. Das bis hierher beschriebene
Triebwerk entspricht den gebräuchlichen Strahltriebwerken für horizontalen Flug.
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Um ein senkrechtes Starten zu ermöglichen, sind Einheiten zur Lieferung
eines großen, energiearmen Massenflusses vorgesehen, wie z. B. Turbogebläse, die
im ganzen mit 19 bezeichnet sind, in der Ebene der Flügel 11 liegen und deren
Drehachsen im wesentlichen senkrecht zur Flügelebene liegt. Es können ein oder mehrere
Turbogebläse pro Flügel vorgesehen sein. Die Turbogebläse dienen dazu, große Mengen
der umgebenden Luft durch die Flügel von der Oberfläche der Flügel zur unteren Fläche
der Flügel zu befördern, um einen senkrechten Hub zu liefern, wie aus den Zeichnungen
ersichtlich ist.
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Die Gebläseeinheit enthält ein großes Schaufelrad 20, das mit Blättern
21 beschaufelt ist und in geeigneter, nicht dargestellter Weise drehbar in dem entsprechenden
Flügel gelagert ist. Das Gebläse wird mittels einer konzentrischen Turbine angetrieben,
die aus Turbinenschaufeln 22 besteht, die an der Peripherie der Gebläseschaufeln
angeordnet sind. Turbinen-und GebläseschaufeIn sind durch ein geeignetes Deckband
23 od. dgl. getrennt. Wie dargestellt, bildet das Turbogebläse eine Einheit, da
die Gebläseflügel und die Turbinenschaufeln auf demselben Rad angeordnet sind. Sie
können selbstverständlich auch auf getrennten Rädern liegen, was dasselbe Ergebnis
zeitigen würde. Zusätzlich soll erwähnt werden, daß die Turbinenschaufeln auch innerhalb
der Gebläseflügel angeordnet sein können, statt an der äußeren Peripherie, wie dargestellt;
diese Abänderungen ergeben sich auch aus den Darstellungen nach Fig. 2 und 3. Das
Gas zum Antrieb der Turbogebläse wird direkt von dem Haupttriebwerk 12 durch geeignete
Kanäle 24 erhalten, die das Innere des Rumpfes mit den Flügelturbinen verbinden;
diese Verbindung liegt stromabwärts vom Haupttriebwerk, um den Auspuff des Triebwerkes
abnehmen zu können. Die Kanäle 24 leiten das ausgestoßene Gas in Verzweigungen bzw.
Schnecken 25, die es in die Leitschaufeln 26 leiten, von denen das Gas in die Turbine
eintritt und somit das Gebläse in den Flügelkanälen 27 antreibt. In Fig.2
ist eine Axialturbine und in Fig. 3 eine Radialturbine dargestellt. Beide Ausführungsformen
können in gleicher Weise mit Erfolg Verwendung finden. Beim Schnellflug sind die
Auftriebsgebläse außer Betrieb, und der Auspuff des Haupttriebswerkes strömt durch
die Schubdüse 16. Die Einstellung auf Schnellflug kann durch geeignete Mittel, wie
z. B. Ventilklappen 28, geschehen, die schwenkbar am Rumpf angelenkt sind und die
Kanäle 24 schließen können, so daß die Auspuffgase direkt zur Schubdüse 16 strömen.
Wenn die Kanäle 24 abgesperrt sind, werden die Turbogebläseeinheiten in den Flügeln
mit einem Verschluß 29 gleichfalls abgesperrt, so daß sich eine glatte Flügeloberfläche
ergibt. Der Verschluß kann die in Fig. 3 dargestellte Form haben und über die Öffnung
des Kanals 27 geklappt werden, oder er kann auch, wie in Fig. 2 dargestellt ist,
die Form von Jalousien haben, die durch Drehung geschlossen werden können.
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Beim senkrechten Starten und nach unten gerichtetem Gasstrom ist es
wünschenswert, Mittel zur Steuerung der Strömungsrichtung zu besitzen, so daß der
Schub direkt senkrecht oder auch in einem bestimmten Winkel zum Grund gerichtet
sein kann. Dies wird durch Steuerflügel 30 ermöglicht, die an der unteren
Flügelfläche angeordnet sind und zur Einstellung der Richtung des vom Gebläse ausgestoßenen
Gases beweglich sind. Die Flügel haben vorzugsweise die Form von Klappen, die bei
31 drehbar in den Flügeln gelagert sind und eine Drehung um einen beliebigen Winkel
erlauben.
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Die Arbeitsweise des Flugzeuges ist aus der oben gegebenen Beschreibung
ersichtlich. Beim Schnellflug liefert der Gasgenerator bzw. das Turbinenstrahltriebwerk
12 Schub durch die durch die Düse 16 ausgestoßenen Gase. Unter diesen Umständen
ist das Ventil 28 in einer solchen Stellung, daß ein Einströmen von Gas in
die Kanäle 24 verhindert wird und eine glatte Innenfläche zur direkten Weiterleitung
des ausgestoßenen Gases zur Schubdüse vorliegt. Gleichzeitig sind die Steuerflächen
30 und die Abschlußflächen 29 geschlossen, so daß sich glatte Flügelflächen ergeben.
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Zum senkrechten Starten werden die Ventilklappen 28 entsprechend gedreht,
so daß der ausgestoßene Gasstrom stromabwärts vom Triebwerk abgelenkt wird und ohne
weitere Energieumsetzung in die Kanäle 24 fließt und die Außenturbinen und die Flügelgebläse
antreibt. Zur gleichen Zeit sind die Verschlüsse 29 geöffnet, und die Leitflächen
30 sind entsprechend gerichtet, so daß sich der gewünschte Winkel des vertikalen
Hubes ergibt. Durch die Gebläse 20, die direkt durch den kleinen, energiereichen
Massenfluß des Haupttriebwerkes angetrieben werden, wird daher ein großer, energiearmer
Massenfluß von Umgebungsluft erzeugt, der den gewünschten senkrechten Hub liefert.
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Durch die Erfindung werden also Energieverluste bei der Umsetzung
einer Energieform in die andere vermieden und der Auspuff des Haupttriebwerkes direkt
durch die in den Flügeln angeordneten Turbogebläse zum senkrechten Starten und andererseits
auch wahlweise durch die Schubdüse zum Waagerechtflug mit Unterschall- oder überschallgeschwindigkeit
nutzbar gemacht.